尽管电化学能量转换和存储技术发展迅速，但对已使用的电化学装置的回收和再生方法仍然有限。大量的电化学装置由于其有限的使用寿命而未经循环处理并被丢弃。 而现有的回收方法，如火法冶金提取、湿法冶金提取、火法-湿法冶金提取，再进行淋虑、提纯、分离、再合成等，只能回收特定的金属成分，同时还破坏了电极的其余部分。相比之下,落后的再生技术(无损回收方法),如水热处理, 煅烧和化学包覆具有更好的实践前景, 它允许直接重复使用催化电极。然而，目前高效的无损再生方法仍然缺乏。
研究亮点
来自马里兰大学帕克分校的胡良兵教授课题组报道了一种高效的高温脉冲退火法，使催化电极直接再生的技术。他们使用的方法是通过焦耳热加热碳材料，让催化电极迅速上升到高温，并在几毫秒内淬灭到室温。整个再生过程只需要几十毫秒，但可以显著延长电极的使用寿命。高温有助于通过分解和/或蒸发完全去除副产物和污染物，从而恢复活性电极表面；同时，快速退火保持了催化剂原有的理化性质，从而保持了催化剂的性能。与现有的湿化学方法相比，本研究提出了一种新的途径，以高度可持续的方式直接重复使用催化电极。该工作以“A General Method for Regenerating Catalytic Electrodes”为题发表在Joule上。
实际上，类似的方法在制备闪蒸石墨烯（ Gram-scale bottom-up flash graphene synthesis. Nature2020，577, 647–651；ACS Nano，2020，https://doi.org/10.1021/acsnano.0c05900）以及多金属纳米团簇（ Proc.Natl. Acad. Sci. 2020, 117, 6316–6322）等方面 已经频发顶刊了。你还不赶紧GET起来？？
图文导读
图1 再生过程的示意图
使用过的电极从电池中提取出来，与电解液分离，然后放置在碳纸之间，无需进一步预处理。然后进行焦耳热高温脉冲退火。由于碳加热器的低热容量，整个装置可以在几十毫秒内迅速上升到约1700 K，并冷却到室温。
图2 Ru负载的催化电极的表征
作者系统地研究了从试验池中提取Ru负载电极后积累的副产物的组成 。XPS结果表明，循环过程中积累到正极表面的副产物是Li 2CO 3和一些有机锂盐（如HCOOLi 和 CH 3COOLi）。
脉冲退火再生处理催化电极后，使用同样的光谱表征来分析电极，发现所有的副产物如HCOOLi, CH 3COOLi, Li 2CO 3均不存在了。这些证据有力地证明了采用高温脉冲退火的方法对使用的催化电极进行清洗是有效的。
图3 Ru催化剂的表征
除了完全去除电极表面的副产物外，再生的另一个关键标准是恢复催化剂的原始理化性质。
TEM测试表明，与原始的形貌相比，钌催化剂在再生状态下未见团聚现象。STEM表征通过更好的对比，证实了再生后催化剂的尺寸和Ru纳米颗粒分布几乎与原始状态相同。
图4 Ru负载催化电极在锂空电池中的循环性能
将再生的催化电极应用到相同的锂-空气电池装置上进行另一轮循环试验。与电极处于原始状态时的循环性能相比，再生电极具有相似的过电位和循环寿命。
图5 在多次电极再生过程中的额外表征
尽管再生性能很有前景，但作者注意到可能存在使数据解释复杂化的潜在混淆因素。首先，通过多轮的高温处理，碳基底会再结晶，表面的缺陷也会愈合。因此，在多次脉冲退火过程中修复缺陷位点可能会提高甚至恢复循环性。为此，作者通过拉曼光谱和XRD测试结果表明，瞬态加热到1700 K只会让副产物清除, 但并不能够显著改变碳衬底的化学性质和结构。
第二，尽管使用惰性环境进行再生过程，催化剂的氧化状态或结合环境可能会因高温处理而改变。这种变化还可能以不可预测的方式影响电池性能。作者通过测试XPS表明，经过多轮再生后，Ru的特征峰偏移很小。此外，组装的锂空气电池测试表明，原始电极的充放电曲线和多轮再生后的充放电曲线他们的过电位变化很小。
总结展望
该方法不仅限于金属空气电池，而且可以很容易地扩展到各种电化学装置，如直接乙醇燃料电池，有机电合成，二氧化碳和生物质电解槽等等领域。传统的湿化学回收方法只能回收特定的金属元素，而不能回收电极的其他部分，与之相比，本研究为催化电极的再生提供了一种新的方法，可以得到更广泛的应用。
文献信息
A General Method for Regenerating Catalytic Electrodes（ Joule, 2020, https://doi.org/10.1016/j.joule.2020.08.008）
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